JP5400630B2

JP5400630B2 - 無線マルチホップ通信装置及びその送信電力制御方法

Info

Publication number: JP5400630B2
Application number: JP2010004906A
Authority: JP
Inventors: 和也門田; 進松井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: JP2011146850A

Description

本発明は、無線マルチホップネットワークにおいて、パケットの送受信および中継するノード（無線マルチホップ通信装置）とその送信電力制御方法に係り、特に電波干渉を低減させる送信電力制御技術に関する。

無線ネットワークにおいて、ノード間で動的に無線マルチホップネットワークを構成するアドホックネットワークという技術がある。アドホックネットワークでは、各ノードがパケットの中継機能を持ち、各ノードのルーティングテーブルに従いパケットを送信／転送することでマルチホップ通信を行う。無線マルチホップネットワークにおいて、隣接ノード間の無線リンクはルーティングパケットの交換により検知されるが、リンクの無線状態（通信品質や回線接続状況）は周囲の状況やノードの移動によって変化するので、ルーティングパケットの交換では通信品質の良くないリンクを通信経路として使用せざるを得ないという課題があった。これに対し、電波の状態を鑑みたノード間の安定なリンク検知を行う技術に特許文献1記載の技術がある。特許文献1記載の安定なリンク検知を行う技術は、２つのノード間の電波強度が弱いといった通信品質のよくないリンクを通信経路から除外することを可能とするが、各ノードにおいて送信電力を制御していないため、各ノードが送信した電波が互いに干渉し、通信品質が劣化するという問題がある。また、ノード間の電波干渉を低減するための技術としてノードの送信電力を制御する技術が特許文献2に記載されている。

特開2008-35473号公報特開2009-231912号公報

特許文献1記載の技術により、無線マルチホップネットワークを構成するノード間で通信品質のよくないリンクを通信経路から除外することは可能となるが、電波干渉を低減させるために、ノードの送信電力を制御していない。

また、特許文献2に記載の技術は複数のアクセスポイントと各アクセスポイントの通信エリア内に存在する無線端末とからなる構成において、無線端末がアクセスポイントからの電波の受信電界強度をリスト化してアクセスポイントに送信することにより、リストに基づきアクセスポイントの送信電力を低下させることを可能としている。しかし、無線端末を収容するためにどの程度送信電力を低下させればよいかについて考慮されておらず、送信電力を低下させすぎると、直接経路を構築しているノードとの通信が切断する可能性がある。また、一つのアクセスポイントの通信エリア内に複数の無線端末があった場合、どの無線端末に合わせて送信電力を低下させればよいかについて考慮されてもいない。また、リストがアクセスポイントに到達するたびに送信電力を再設定するために、アクセスポイントの送信電力が頻繁に変わり、通信している無線端末との通信が途切れる（瞬断または切断する）可能性がある。また、一度低下させたアクセスポイントの送信電力を上げる方法について考慮されていないため、新規に無線端末がアクセスポイントの本来の通信エリア内に入ったとしても通信できないといった課題がある。

本発明は送信電力制御の課題に対し、無線マルチホップネットワークを構築するノードが隣接ノードと受信電波状況を送信電力制御パケットの送受信により交換し、直接の通信経路が存在しない隣接ノードへの電波の到達があった場合には他の直接の通信経路が存在する隣接ノードとの通信が不安定にならない程度に送信電力を低下させる。

具体的には、データを送受信する複数のノード（無線マルチホップ通信装置）と複数のノードが送受信するデータを中継する一つ以上のノードとからなる無線ネットワークにおける無線マルチホップ通信装置であって、隣接ノードが受信している電波の受信電界強度を含む送信電力制御パケットを隣接ノードから受信し、受信した送信電力制御パケットに含まれる、隣接ノードが受信している、自ノードが送信している電波の受信電界強度に基づいて自ノードの送信電力を制御する。

本発明によれば、無線マルチホップネットワークを構築するノードにおいて、通信経路に影響を与えず、送信電力を制御し電波干渉を低減させることが可能である。

送信電力制御前のネットワークトポロジーの例である。送信電力制御後のネットワークトポロジーの例である。新規ノードが追加されたネットワークトポロジーの例である。新規ノードの追加に対し送信電力制御後のネットワークトポロジーの例である。ノードの構成例である。送信電力制御のフローチャートの例である。送信電力制御パケットのパケットフォーマットの例である。隣接ノード状況テーブルの例である。

以下、本発明の実施形態を説明する。本明細書では、次のように用語を用いる。無線マルチホップネットワークにおいてパケットを送受信するノード（無線マルチホップ通信装置）をノードと呼ぶ。ノード間の通信で直接通信する通信経路を直接経路と呼ぶ。直接経路の存在の有無に関係なく、電波到達範囲内にあるノードを隣接ノードと呼ぶ。他の用語については必要に応じて説明する。

図1は、無線マルチホップネットワークのトポロジーの例を示す図である。図１において、101〜103はノードであり、ノード101と102、ノード102と103はそれぞれ互いに電波状態が良好であるが、ノード101と103は互いに電波状態が悪い。ノードには通信経路を構築するためのルーティングプロトコルが搭載されており、ルーティングパケットの交換により隣接ノードとの通信品質（信号対雑音費、ビット誤り率など）の検知を行い直接経路の確立を行う。電波状態が良好なノード101と102、ノード102と103はそれぞれ直接経路を確立しているが、101と103は直接経路を確立していない。直接経路の確立している状況を図1では、ノード間を接続するブランチ（枝）で表している。106はノード101の電波到達範囲を示しており、同様に107はノード103の電波到達範囲を示している。ノード102の電波到達範囲は図示していない。電波はその特性から、電波の送信元から離れるほど通信品質が劣化する。図1ではノード101の電波はノード103に到達しているが、通信品質が十分でなく直接経路が構築されていない、またノード103の電波も同様にノード101に到達しているが、品質が十分でなく直接経路が構築されていない。このような状況で、ノード101、ノード103が互いに通信すると、互いの電波が干渉し通信品質が劣化する。具体的には、ノード101において、ノード103からの電波が、他のノード（たとえばノード102）からの受信電波に対して雑音になる。この雑音が通信品質劣化の要因となる。

図2は、図1に示したノード101及びノード103の送信電力を制御した場合の状況を表している。電波到達範囲106はノード101の送信電力を低下させることにより小さくなり、ノード101の送信電波はノード103に到達しなくなっている（所定のレベルよりも低下している）。また、同様にノード103の送信電力を低下させることにより、電波到達範囲107は小さくなり、101と103の間で電波が干渉しなくなることにより、通信品質が向上する。

図3は、図2の状況に新規にノード108が追加された状況を表している。109はノード108の電波到達範囲を示している。ノード108はノード103が送信出力を上げれば直接経路を構築可能な位置であるが、ノード103が送信電力を低下させているため直接経路を構築できない状況になっている。

図4は、ノード103が送信電力を再び制御し、108と直接経路110を構築することが可能となった状況を示している。

図5は、ノード101、ノード102などのノード501の構成例を示す図である。ノード501は、ＣＰＵ503、無線通信部504、メモリ505、及びタイマ506が相互に接続され、無線通信部504にアンテナ502が接続された構成である。ノード501は、ＣＰＵ503により、無線通信部の送信電力を制御し、通信する。無線通信部504は通信に必要となる通信アドレスとしてMACアドレスおよびIPアドレスを持つ。また、無線通信部504は受信した他ノードからの電波の送信元MACアドレスと受信電界を保存し、ＣＰＵ503により読み取られる。図5では無線通信部504は一つであるが、ノード501が複数の無線通信部504を持つことを制限するものではない。

図6にノードの送信電力制御のフローチャートを示す。例として、ノード103の動作として説明する。ノード103が起動するときの他ノードとの状況は図1に示す状況であるとする。ノード103が起動すると送信電力制御フローに従って制御を開始する。送信電力の初期値はノード103の最大送信電力とする。ノード103が起動すると、送信電力制御する時間間隔である、予め定めた一定時間経過が経過したかチェック（ステップ601）し、経過していなければ他のノード（図1の場合ノード101およびノード102）からの送信電力制御パケットを受信していないかチェックする（ステップ602）。

他のノードから送信電力制御パケットを受信すると（ステップ602でYES）、隣接ノード状況テーブルを更新する（ステップ603）。送信電力制御パケットのパケットフォーマットの例を図7、隣接ノード状況テーブルの例を図8に示す。

図7に示す送信電力制御パケットフォーマットの701には送信電力制御パケットを送信する無線通信部のMACアドレスを格納し、702には無線通信部に割り当てられているIPアドレスを格納する。703には無線通信部で受信した電波の送信元のMACアドレスを格納し、704には受信した電波の受信電界強度を格納する。ノードがこれまで受信した電波の送信元のMACアドレスと受信電界強度は無線通信部に保存されており、送信電力制御パケットの生成時には無線通信部より取得して格納する。複数の隣接ノードから電波を受信している場合、電波を受信しているすべての隣接ノードの情報を格納する。複数の隣接ノードから電波を受信している場合、送信元MACアドレス703とその送信元からの受信電界強度704を繰り返しパケットに追加する。

図8に示す隣接ノード状況テーブルは、自ノードが送信している電波が隣接ノードでどの程度の強度で受信されているかの状況を管理するためのテーブルである。隣接ノードMACアドレス801には自ノードの電波を受けている隣接ノードの無線通信部のMACアドレスを、隣接ノードIPアドレス802には自ノードの電波を受けている隣接ノードの無線通信部のIPアドレスを、受信電界強度803には、隣接ノードが受信している自ノードからの電波の受信電界強度の平均値を格納する。有効時間804には隣接ノード状況テーブルに格納されている隣接ノードの情報の残り有効時間を格納する。各隣接ノードごとにテーブルのデータが更新されるごとに、有効時間は予め設定された値を格納し、有効時間は時間経過とともに減少させる。有効時間が0となると情報が無効となったとし、テーブルから有効時間が0となった隣接ノードに関する情報を削除する。また、受信電界強度を平均値として格納するために計算に必要な送信電力制御パケットの受信回数805を格納する。例として受信電界強度の揺らぎの影響を抑えるために平均値として格納しているが、最新の値を格納してもよい。

次に、ノード103はノード101から送信電力制御パケットを受信した場合（ステップ602）、隣接ノード状況テーブルの更新について説明する（ステップ603）。ノード101からの送信電力制御パケットには、ノード103およびノード102が送信している電波の状況が格納されていたとする。ノード103が送信している電波の受信電界強度は-85dBmであったとする。送信電力制御パケットに格納されている送信元MACアドレス703と受信した自ノードの無線通信部のMACアドレスを比較し、同じである場合に隣接ノード状況テーブルを更新する。隣接ノードMACアドレス801に自ノードMACアドレス701があるか隣接ノード状況テーブルを検索し、なければ新規に情報をテーブルに追加し、隣接ノードMACアドレス801に自ノードMACアドレス701を格納し、隣接ノードIPアドレス802には自ノードIPアドレス702を、受信電界強度803には受信電界強度704を格納し、有効時間804を予め定めた有効時間（例えば30秒）と設定する。隣接ノードMACアドレスに自ノードMACアドレス703があった場合は、当該情報を更新する。更新する内容は、受信電界強度803をこれまでの受信電界強度803と新たな受信電界強度704と受信回数805から平均値を計算し格納する。また、有効時間も予め定めた有効時間に更新する。図8の列806は101からの送信電力制御パケットを受信した場合の例である。

ここで、他ノードからの送信電力制御パケットを受信した場合にもステップ603に処理を進めるのは、送信電力を設定するタイミングが他のノードとの間でずれることにより、通信経路の構築ができなくなるという問題が起きる可能性がある。これを防ぐために送信電力を設定するタイミングを合わせるためである。送信電力制御パケットの受信を契機にステップを進めることにより、他ノードの送信電力の決定のタイミングと大きくずれることを防ぐことができる。

隣接ノード状況テーブル更新603が終了もしくは、ステップ601で一定時間が経過すると、自ノードの送信電力を最大値に設定604する。103の最大値は例えば15dBmであるとすると、15dBmに設定し、送信電力制御パケットを送信605する。ノードが複数の無線通信部を持つ場合、無線通信部ごとに送信電力制御パケットを生成し送信すればよい。パケットフォーマットは図7に示す通りである。

次に、送信電力制御パケットの送信をあらかじめ定める一定回送信したかチェック（ステップ606）し、一定回送信していなければ、他ノードからの送信電力制御パケットを受信していないかチェック（ステップ607）し、受信していれば（ステップ607でYES）、隣接ノード状況テーブルを更新する（ステップ608）。ステップ608の更新処理はステップ603の更新処理と同様である。例えばノード102から送信電力制御パケットを受信したとして、追加された情報の例を図8の列807であるとする。

次に、送信電力制御パケットの送信間隔としてあらかじめ定める送信間隔時間が前の送信電力制御パケットを送信してから経過したかチェックし（ステップ609）、経過していなければ、他ノードの送信電力制御パケットの受信のチェックに戻る。経過していれば（ステップ609でYES）送信電力制御パケットの送信（ステップ605）に戻る。

一定回送信電力を送信すると（ステップ606でYES）、隣接ノード状況テーブルに記載されている隣接ノードIPアドレスとルーティングテーブルの直接経路を構築しているノードのIPアドレスを比較して、直接経路を構築していないノードから電波が届いているかチェックする（ステップ610）。

直接経路を構築していないノードからの電波が届いている場合（ステップ610でYES）は送信電力を計算する（ステップ611）。送信電力の計算方法は、隣接ノード状況テーブルの直接経路があるノードに関する情報の中の自ノードからの電波の受信電界強度値の最低値（例えば、ノード102のノード103からの電波の受信電界強度である-55dBm）と、あらかじめ定めてある直接経路を構築するような安定強度（例えば-75dBm）との差を計算し、得られた差（20dBm）と現在の自ノードの送信電力設定値（15dBm）と比較し、得られた差の方が大きければ、送信電力値を自ノードの最低値（例えば3dBm）とする。得られた差の方が小さければ、差の値を自ノードの送信電力設定値から引いた値にする。

計算が終了すると、送信電力値に送信電力を設定する（ステップ612）。図1の状況ではノード103の送信電力値を3dBmに設定してもノード102との直接経路は安定強度を上回るため、送信電力値を3dBmに設定する。

次に、送信電力の設定直後に他ノードからの送信電力制御パケットを受信し、再び送信電力設定の処理を開始することを防ぐために一定時間送信電力制御パケットの受信をロックし、送信電力制御パケットを受信しても何も処理をしない。前記一定時間が経過した後に処理を終了する。

以上の処理により、ノード103の送信電力は3dBmまで低下し、ノード101のノード103からの電波の受信強度は-97dBm程度にまで低下し、影響を及ぼさなくなる。ノード101も本フローに従うことにより、同様に送信電力を低下させることが可能となり、図1の状況から図2の状況に状況が移行する。これにより、電波の干渉が低減し、通信品質は向上する。

本フローの終了後は再度フローの開始に戻り、ノードが起動している間、本フローは繰り返し実行される。

次に図3の状況において、送信電力を制御する方法について、図6の送信電力制御フローに従いノード103が動作することを例にして説明する。

ノード103は送信電力が3dBmに設定されているため、103が送信している電波はノード108には微弱である状態であるとする。ノード108が起動し一定時間が経過するとノード108は送信電力制御パケットを送信する。ノード103は送信電力制御パケットを受信すると、図6のステップ602に従い、隣接ノード状況テーブルを更新し（ステップ603）、送信電力を最大値に設定する（ステップ604）。ノード103の電波はノード108に安定して届くようになる。次に、ステップ606で送信電力制御パケットの送信回数が一定送信回数に達するまで処理が進んだ場合の隣接ノード状況テーブルにはノード108に関する情報列808が追加された状況であるとする。ステップ609でチェックする送信電力制御パケットの送信間隔時間をルーティングパケットの交換により通信経路を構築するのに十分な時間として設定しておくと、ノード101とノード108の間には直接通信経路が構築される。

次に、ステップ610に進み、ノード101とは直接経路を確立していないので、送信電力を計算する（ステップ611）。図8の列808によるとノード108でのノード103の電波の受信電界強度は-70dBmであるのでノード103は安定強度-75dBmとの差である5dBm送信電力を下げることができる。よってステップ612ではノード103の送信電力は10dBmとして設定する。これにより、ノード101でのノード103の電波の受信電力は-90dBm程度となり、無線干渉を低減させることができた上に、ノード108との安定的な通信も可能とし、図3の状況から図4の状況へと移行することが可能である。

以上の処理により、無線マルチホップネットワークを構成するノードは、通信経路に影響を与えずに適切に送信電力を制御し、無線干渉を低減し通信品質を向上させることが可能となる。

101〜103、108:ノード、501: ノード、502: アンテナ、503:CPU、504:無線通信部、505:メモリ、506:タイマ。

Claims

データを送受信する複数のノード（無線マルチホップ通信装置）と前記複数のノードが送受信するデータを中継する一つ以上のノードとからなる無線ネットワークにおける無線マルチホップ通信装置であって、隣接ノードが受信している電波の受信電界強度を含む送信電力制御パケットを前記隣接ノードから受信する受信手段と、受信した前記送信電力制御パケットに含まれる、自ノードと通信経路のある前記隣接ノードが受信している、前記自ノードが送信している電波の前記受信電界強度が予め定めた安定強度を上回り、前記自ノードとの通信経路のない前記隣接ノードが受信している、前記自ノードが送信している電波の前記受信電界強度が前記安定強度を下回るように、前記自ノードの送信電力を制御する制御手段とを有することを特徴とする無線マルチホップ通信装置。
請求項1記載の無線マルチホップ通信装置において、前記送信電力制御パケットに通信アドレスを含み、電波と電波の送信元の前記通信アドレスを対応付ける手段をさらに有することを特徴とする無線マルチホップ通信装置。
請求項1記載の無線マルチホップ通信装置において、前記制御手段は、前記隣接ノードから前記送信電力制御パケットを受信するごとに、前記送信電力を制御することを特徴とする無線マルチホップ通信装置。
データを送受信する複数のノード（無線マルチホップ通信装置）と前記複数のノードが送受信するデータを中継する一つ以上のノードとからなる無線ネットワークにおける無線マルチホップ通信装置送信電力制御方法であって、隣接ノードが受信している電波の受信電界強度を含む送信電力制御パケットを前記隣接ノードから受信し、受信した前記送信電力制御パケットに含まれる、自ノードと通信経路のある前記隣接ノードが受信している、前記自ノードが送信している電波の前記受信電界強度が予め定めた安定強度を上回り、前記自ノードとの通信経路のない前記隣接ノードが受信している、前記自ノードが送信している電波の前記受信電界強度が前記安定強度を下回るように、前記自ノードの送信電力を制御することを特徴とする送信電力制御方法。
請求項４記載の送信電力制御方法において、前記送信電力制御パケットに通信アドレスを含むことにより、電波と電波の送信元の前記通信アドレスを対応付けることを特徴とする送信電力制御方法。
請求項４記載の送信電力制御方法において、前記隣接ノードから前記送信電力制御パケットを受信するごとに、前記送信電力を制御することを特徴とする送信電力制御方法。